[发明专利]一种选择性双极膜电渗析系统及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种选择性双极膜电渗析技术，更具体的说是一种利用一多价离子选择性透过膜和双极膜相结合的电渗析技术。

背景技术

电渗析是一种新型的传质分离技术，利用具有不同性质的离子交换膜，可以使电渗析用于不同领域，如水处理、环境保护、生物制药、工业物料的脱盐浓缩等过程。由于待处理物料的成分各异，并且过程中对于物料的处理目标各有不同，离子交换膜的种类可以细分为很多种，常见的离子交换膜为阴/阳离子交换膜。阴离子交换膜一般是由荷正电高分子聚合物经过相转化之后制得，具有致密结构，允许阴离子的透过而阻碍阳离子。阳离子交换膜一般是由荷负电的高分子聚合物经过相转化法制得，具有致密结构，允许阳离子的透过而阻碍阴离子。采用传统的阴/阳离子交换膜的电渗析过程称为普通电渗析。具有特殊分离性质并可以用于特种物料分离的离子交换膜一般包括一多价离子选择性透过膜及双极膜。一多价离子选择性透过膜可以实现具有不同价态的同种离子之间的分离，其一般经由阴/阳离子交换膜经过表面改性制得。如可以实现一价的锂、钠、钾与多价的钙、镁、铬等阳离子之间分离的一多价阳离子选择性透过膜，是由阳离子交换膜经过表面涂覆荷正电功能层，利用具有不同电荷数的阳离子之间的Donnan排斥力的不同实现分离，此过程一般称为选择性电渗析。双极膜可以实现水的解离，从而用于产酸、产碱工艺。双极膜一般经由阳离子交换膜与阴离子交换膜叠加，并在中间添加具有水解离能力的功能化合物而制得，因此双极膜一般包括阴离子交换层、阳离子交换膜以及中间层。在电场的推动作用下，双极膜的中间层发生水解离，得到氢离子和氢氧根离子，氢离子由阳离子交换层迁移至酸室，氢氧根离子由阴离子交换层迁移至碱室，与相应的离子结合后得到酸/碱目标产物，此过程一般称为双极膜电渗析。

一般来讲选择性电渗析与双极膜电渗析由普通电渗析演化而来，普通电渗析可以用于一般物料的脱盐、浓缩过程。如专利CN104370396 B报道了一种海水淡化浓盐水零排放方法，将海水淡化装置副产的浓盐水通入电渗析装置继续进行浓缩，电渗析浓缩得到的近饱和盐水用于后续蒸发制盐，排出的淡盐水可经过处理后再次返回海水淡化装置。专利CN105668519 A报道了一种用电渗析及膜蒸馏将稀盐酸浓缩回用的工艺，电渗析排放出的淡液中盐酸含量低于0.2％，处理成本更低，同时电渗析获得的浓液经过膜蒸馏等操作后盐酸含量在12％以上，可以直接用于生产。专利CN205328675 U报道了一种太阳能供电的电渗析水处理系统，使用电渗析膜堆对废水进行脱盐浓缩处理。

选择性电渗析可以用于盐湖提锂、浓盐水处理、酸碱回收等过程。专利CN87102881 A报道了一种利用选择性的阴/阳离子交换膜由硫酸锌的电解液中分离出氯化物、氰化物和铊的混合物。专利WO2011130809 A2报道了一种利用选择性电渗析由混合的溶液中分离出单价阴离子的过程，由于离子半径和电荷数的不同，通过采用普通的阳离子交换膜和单价选择性的阴离子交换膜，由废水中分理出磷酸产物。文献(Preliminary study on recovering lithium from high Mg²⁺/Li⁺ratio brines by electrodialysis,Separation and Purification Technology,172(2017)168–177)报道了通过选择性的双极膜电渗析可以实现镁、锂离子的分离，从而避免了传统苛化过程，简化了操作步骤，同时降低了能耗。

双极膜电渗析过程可以用于有机酸生产、发酵工程、水处理等领域。专利CN104744280 A报道了一种利用双极膜电渗析由肌氨酸钠的水溶液生产肌氨酸的过程。专利CN104593809 A、CN101781190 B报道了一种利用双极膜电渗析酸化工艺由柠檬酸的发酵液中生产提纯柠檬酸的方法，很大程度上降低了过程能耗，减少了酸碱引入。专利CN102167293 A报道了一种利用双极膜电渗析方法，由硫酸钠废水中生产氢氧化钠和硫酸的方法，实现资源再利用。专利CN103882468 A报道了一种利用电解双极膜电渗析由盐湖卤水生产氢氧化锂的过程，经过苛化法除去钙、镁离子后，通过普通电渗析将卤水浓缩，得到锂富集卤水。